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L'Usine de l'Energie

Technologie : Les promesses de la quatrième génération

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Alors que les réacteurs de troisième génération sortent de terre, les spécialistes préparent déjà leurs successeurs. La France travaille sur un prototype baptisé Astrid. Par Ludovic Dupin

Technologie : Les promesses de la quatrième génération
Superphénix a produit de l’énergie entre 1985 et 1999.

Quatre ambitions

  • Préserver les ressources en uranium, grâce au recyclage
  • Produire un kWh au même prix qu’aujourd’hui, voire moins cher
  • Écarter la prolifération des matériaux fissiles
  • Disposer de réacteurs plus sûrs que l’EPR 
Pas écolo le nucléaire ? Bien qu’il n’émette pas de CO2, il a fait l’objet de nombreuses critiques – sur la sûreté, son coût, les déchets des centrales… – tout au long du débat sur la transition énergétique mené ces deux dernières années. Pourtant, les tenants de l’électricité d’origine nucléaire croient à cette énergie peu carbonée pour faire face aux défis climatique et énergétique. L’acquisition d’un label vert pourrait passer par un saut technologique que prépare la filière : la quatrième génération. Une vraie rupture. Au point que le Commissariat à l’énergie atomique (CEA) parle de « nucléaire durable » !

Pour une même quantité d’uranium, Astrid produira 50 à 100 fois plus d’électricité qu’un réacteur actuel !

Le concept de quatrième génération est né en l’an 2000 aux États-Unis, dans les bureaux du Department of energy (DoE). Il implique, pour les réacteurs du futur, de répondre à quatre ambitions : un haut niveau de sûreté, un facteur compétitif, une résistance à la prolifération et, surtout, une préservation de la ressource en uranium. La capacité d’innovation des laboratoires et des industriels porte sur ce dernier point. Selon l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA) et l’Agence de l’énergie atomique (AEN), les réserves mondiales d’uranium connues s’élèvent à 5,5 millions de tonnes. Reste à découvrir 10,5 millions de tonnes d’uranium conventionnel et 22 millions de tonnes non conventionnelles. Les réacteurs de deuxième et de troisième génération devraient épuiser ce potentiel en un siècle environ, voire un peu moins…

En 2001, le Forum international Génération IV, organisme s’appuyant sur l’AEN et regroupant une dizaine de pays dont la France, a identifié six filières à même de préserver les ressources en matière première. Trois sont dites à neutrons rapides : le réacteur rapide à caloporteur gaz, le réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium, le réacteur rapide à caloporteur plomb. Les trois autres sont à neutrons lents : le réacteur à très haute température, le réacteur à eau supercritique, le réacteur à sels fondus. L’enjeu est de tester les six concepts et de sélectionner les meilleurs. Dans les faits, il y a des filières plus avancées que d’autres à cause des choix effectués par certains pays.

La filière la plus avancée

La France a arrêté son choix en 2009 sur la filière à neutrons rapides utilisant le sodium comme caloporteur. Le CEA a été chargé d’étudier la construction d’un prototype baptisé Astrid, pour Advanced sodium technological reactor for industrial demonstration. Le chantier de ce réacteur de 600 MW devrait débuter en 2017 sur le site de Marcoule (Gard). Il nécessitera un investissement de 650 millions d’euros. La catastrophe de Fukushima et le débat sur la place du nucléaire en France ont retardé le projet. La phase initiale d’études devrait se prolonger jusqu’en 2019, puis une construction sera envisagée.

La filière du sodium n’était pourtant pas une évidence pour l’Hexagone. « La mauvaise expérience de Superphénix a laissé penser un temps que cette technologie était maudite », confie un proche du dossier. Dans les années 1970 et 1980, la France a construit deux réacteurs à caloporteur sodium [lire ci-dessus]. Selon le CEA, cette technologie est la mieux à même de répondre aux exigences du législateur sur la gestion des déchets radioactifs. La loi du 28 juin 2006 impose d’orienter les recherches sur un réacteur pouvant réaliser la transmutation, c’est-à-dire de brûler dans son cœur les actinides mineurs (américium, neptunium, curium…), des éléments très radioactifs dont la durée de vie est très longue. Si les produits de fusion ultimes en sont débarrassés, leur durée de vie passe de 10 000 ans à… 300 ans.

Le second intérêt est d’optimiser le cycle du combustible. L’uranium naturel contient 99 % d’uranium 238 non fissile, et 0,7 % d’uranium 235 fissile. Ce dernier doit donc être enrichi dans le combustible entre 3 % à 5 % pour être utilisé. Dans le combustible usé, environ 1 % de la matière est du plutonium. Il peut être réutilisé une fois, faiblement concentré sous forme de MOX dans les réacteurs actuels. Quelques pour cent seulement de l’uranium issu des mines sont brûlés… Le reste ne sert à rien. Astrid pourra brûler l’uranium 235 et multirecycler le plutonium. Le nouveau réacteur permet par ailleurs de transmuter l’uranium 238 non fissile en plutonium 239 fissile.

Pour une même quantité d’uranium, Astrid produira 50 à 100 fois plus d’électricité qu’un réacteur actuel ! De plus, la France entrepose environ 250 000 tonnes de combustible usé, l’équivalent de quelques siècles de réserves selon Areva… Le CEA parle même de 2 500 à 3 000 ans ! « En utilisant ces réserves, le cycle du combustible est extrêmement simplifié, s’enthousiasme Claude Béhar, le directeur de l’énergie nucléaire au CEA. C’est un vrai moyen de lutter contre la prolifération. » Plusieurs obstacles techniques subsistent pourtant.

Tout d’abord, un réacteur à caloporteur sodium est sensible aux micro-ébullitions ou aux bulles de gaz. De tels événements peuvent entraîner un brutal accroissement de la réactivité du combustible. Ensuite, le sodium est très réactif à l’air et à l’eau, ce qui suppose des risques d’incendie et d’explosion. Enfin, le sodium, contrairement à l’eau, est opaque. L’observation de l’état des matériaux et des soudures est donc délicate. Ces verrous devront être levés par un design adapté de l’îlot nucléaire d’Astrid et par le développement d’outils de contrôle des installations adaptés.

Les cinq années de travail à venir seront essentielles pour remettre la France dans la course à la quatrième génération, alors qu’ailleurs les projets avancent à grands pas, en Chine et en Russie notamment. La quatrième génération française devra faire la preuve qu’elle a tiré les enseignements de l’accident de Fukushima, où la perte d’alimentation électrique a conduit à l’accident. Au CEA et à l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), on se dit confiant car ces réacteurs possèdent une très grande inertie thermique et il aurait fallu plusieurs jours au cœur pour atteindre son point de fusion. Par ailleurs, les expériences menées sur le réacteur Phénix ont prouvé qu’en l’absence d’alimentation électrique du système de refroidissement un mouvement de convection naturel apparaît au sein du sodium, permettant d’éliminer en partie la chaleur.

Si les prototypes de ces réacteurs voient le jour, une industrialisation n’interviendrait pas avant… 2050. Et encore !

Depuis Phénix, trente ans d’expérience

La France ne part pas de zéro en matière de nucléaire de quatrième génération. Elle a déjà construit deux réacteurs à sodium : Phénix et Superphénix. Le premier a été mis en service en 1974 et stoppé en 2009. Le second a eu une existence courte et tourmentée entre 1985 et 1999. Il a été arrêté par Lionel Jospin à la demande de ses alliés Verts suite à de nombreux incidents. Coexploité par EDF et le CEA, Phénix a mieux fonctionné, même si cette installation de 240 MW a connu d’inexpliquées chutes de puissance. Il a prouvé la possibilité de brûler les actinides à très longue durée de vie (10 000 ans). Il a aussi permis au CEA et à EDF de mettre en évidence des apports de sûreté en cas de perte du système de refroidissement. Le futur réacteur à sodium français Astrid sera-t-il un nouveau Superphénix ? Claude Béhar, le directeur de l’énergie nucléaire du CEA, balaie cette question : « Ce que nous faisons aujourd’hui ne peut pas être comparé à ce qui se faisait il y a quinze ans ! » Chez Areva, on nuance : « Avec cette expérience passée, nous maîtrisons déjà des briques technologiques. »

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